基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法

劉志虹，盛萬(wàn)興，杜松懷，蘇 娟，夏 越

基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法

劉志虹，盛萬(wàn)興，杜松懷，蘇 娟※，夏 越

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模接入，使得農(nóng)村配電網(wǎng)的“源-荷”側(cè)呈現(xiàn)顯著不確定性。傳統(tǒng)農(nóng)村配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法應(yīng)對(duì)“源-荷”雙重不確定性所帶來(lái)的沖擊和影響，急需研究新的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法。該研究考慮“源-荷”時(shí)變特性，提出了一種基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法。首先，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域初始劃分，確定主干線(xiàn)區(qū)域和分支線(xiàn)區(qū)域；然后，以促進(jìn)區(qū)域間分布式電源的協(xié)同應(yīng)用為目標(biāo)，基于圖論算法對(duì)區(qū)域初始劃分結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化；其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束的檢驗(yàn)與修正；最后，采用快速非支配排序策略確定最優(yōu)方案。通過(guò)IEEE 33節(jié)點(diǎn)和PG&E 69節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性。算例結(jié)果表明，所提方法能夠有效促進(jìn)分布式電源消納、降低線(xiàn)損和改善電壓分布。尤其是在69節(jié)點(diǎn)算例中所提算法的優(yōu)化效果更顯著，提升了系統(tǒng)日DG平均消納利用率16.09個(gè)百分點(diǎn)，日線(xiàn)損降低了55.32%，研究可為農(nóng)村有源配電網(wǎng)重構(gòu)提供參考。。

能源；算法；農(nóng)村有源配電網(wǎng)；區(qū)域劃分；網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)

0 引 言

傳統(tǒng)農(nóng)村配電網(wǎng)多采用輻射式單向供電的方式，以開(kāi)環(huán)形式運(yùn)行[1-2]。與城市配電網(wǎng)相比，農(nóng)村配電網(wǎng)的供電模式較為單一，優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)控能力有限。近年來(lái)，大量的光伏、風(fēng)電等分布式電源（Distributed Generation，DG）接入農(nóng)村配電網(wǎng)。當(dāng)前農(nóng)村配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、DG并網(wǎng)的位置與容量、線(xiàn)路傳輸容量等系統(tǒng)條件，它們與不斷增加的農(nóng)村電力需求產(chǎn)生了沖突。此外，電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle，EV）等柔性負(fù)荷的并網(wǎng)加劇了負(fù)荷側(cè)的波動(dòng)。傳統(tǒng)農(nóng)村配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)法靈活、高效地應(yīng)對(duì)DG與負(fù)荷雙重不確定性給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的影響，容易產(chǎn)生棄電、網(wǎng)損增加、電壓越限等問(wèn)題[3-7]。因此，需要一種智能優(yōu)化控制技術(shù)可以靈活、高效地應(yīng)對(duì)DG與負(fù)荷的雙重不確定性，來(lái)增強(qiáng)農(nóng)村配電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

配電網(wǎng)重構(gòu)（Distribution Network Reconfiguration，DNR）是配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行控制的重要手段[8]。DNR是通過(guò)改變線(xiàn)路中聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)與分段開(kāi)關(guān)的開(kāi)/合狀態(tài)來(lái)尋求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使配電網(wǎng)以更可靠、更經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行[9]。DNR可分為靜態(tài)重構(gòu)與動(dòng)態(tài)重構(gòu)兩類(lèi)[10]。與靜態(tài)重構(gòu)相比，動(dòng)態(tài)重構(gòu)可以充分考慮DG與負(fù)荷的時(shí)變特性，根據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)的運(yùn)行工況對(duì)研究周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而更具靈活性與實(shí)用性。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的研究已有一些成果。余健明等[11]提出了一種配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)分時(shí)段重構(gòu)方法，將研究時(shí)段分成多個(gè)連續(xù)的時(shí)間間隔，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，分別進(jìn)行各時(shí)間間隔靜態(tài)重構(gòu)。Shariatkhah等[12]根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)聚類(lèi)進(jìn)行時(shí)段劃分，以損耗成本、中斷成本和切換成本為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)分時(shí)段靜態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)。趙靜翔等[13]提出了一種基于信息熵時(shí)段劃分的等效日負(fù)荷曲線(xiàn)分段方法，建立了以日損失費(fèi)用最低為目標(biāo)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型，利用基于十進(jìn)制編碼的改進(jìn)雜草混合算法進(jìn)行求解。李振坤等[14]考慮到負(fù)荷的波動(dòng)特性，提出了一種基于多代理技術(shù)的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法，利用混合粒子群算法進(jìn)行多時(shí)段靜態(tài)重構(gòu)求解。王淳等[15]采用最優(yōu)模糊C均值聚類(lèi)技術(shù)進(jìn)行負(fù)荷聚類(lèi)，將配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)轉(zhuǎn)換為以聚類(lèi)中心表示負(fù)荷狀態(tài)的多個(gè)靜態(tài)重構(gòu)問(wèn)題。Zhu等[16]在實(shí)時(shí)調(diào)度階段考慮了負(fù)荷的時(shí)變特性，研究了配電網(wǎng)每小時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)對(duì)DG消納的效用。易海川等[17]考慮了DG在不同時(shí)段出力不同的特性，以提高配電網(wǎng)對(duì)DG的接納能力為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建了動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型，并用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[11-17]僅考慮了負(fù)荷或者DG的時(shí)變特性，這種假設(shè)導(dǎo)致了次優(yōu)的解決方案。文獻(xiàn)[18-19]充分考慮DG與負(fù)荷時(shí)變特性，構(gòu)建了多目標(biāo)配電網(wǎng)重構(gòu)模型，但是僅適用于靜態(tài)重構(gòu)。傅曉飛等[20]綜合考慮DG與負(fù)荷的不確定性，建立了配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型，并利用差分進(jìn)化入侵雜草優(yōu)化算法進(jìn)行求解。唐浩等[21]綜合考慮DG與負(fù)荷的時(shí)變特性，以網(wǎng)損費(fèi)用和開(kāi)關(guān)操作費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，將配電網(wǎng)進(jìn)行分時(shí)段動(dòng)態(tài)重構(gòu)。文獻(xiàn)[21]的優(yōu)化目標(biāo)不包含DG消納。Zhu等[22]考慮DG與負(fù)荷的隨機(jī)特性，從DG規(guī)劃的角度分析了每小時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)對(duì)于促進(jìn)DG消納的作用。付洋洋[23]提出了通過(guò)最小數(shù)目的開(kāi)關(guān)操作來(lái)提高DG消納能力的配電網(wǎng)多時(shí)段重構(gòu)模型。上述文獻(xiàn)大部分是基于時(shí)段劃分進(jìn)行的多時(shí)段靜態(tài)重構(gòu)合并來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，時(shí)段的劃分與合并存在一定的主觀性。此外，常規(guī)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)研究通常采用智能優(yōu)化算法求解構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型以獲得最優(yōu)解，解的精度依賴(lài)于算法對(duì)優(yōu)化模型的求解計(jì)算，存在一定程度的尋優(yōu)誤差，難以保證解的最優(yōu)性。

基于上述背景，本文提出了一種基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法。首先，提出了一種區(qū)域初始劃分方法，對(duì)配電網(wǎng)主干線(xiàn)路、分支線(xiàn)路進(jìn)行區(qū)域初始劃分；然后，提出了一種基于圖論的區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分方法，對(duì)初始區(qū)域劃分結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，以尋找所有的DNR可行方案；其次，采用快速非支配排序策略以確定最優(yōu)方案；最后，通過(guò)算例驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型

本節(jié)描述了農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)及其相關(guān)約束。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

1）DG消納利用率

2）線(xiàn)路損耗

電力系統(tǒng)的線(xiàn)損是反映電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，應(yīng)盡最大可能降低系統(tǒng)的線(xiàn)損。系統(tǒng)總線(xiàn)損定義為[24]

1.2 約束條件

1）功率平衡約束

2）節(jié)點(diǎn)電壓約束為

3）支路電流約束為

4）DG有功功率輸出約束為

5）開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)約束為

2 基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法

配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)中描述開(kāi)關(guān)狀態(tài)的是離散整數(shù)變量，是一種復(fù)雜的非線(xiàn)性組合優(yōu)化問(wèn)題[25]。在綜合考慮算法效率和全局尋優(yōu)性能的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)流程，實(shí)現(xiàn)步驟主要包括3部分，如圖1所示。

2.1 農(nóng)村有源配電網(wǎng)區(qū)域初始劃分

本文依照以下2個(gè)原則針對(duì)存在環(huán)路的線(xiàn)路進(jìn)行區(qū)域初始劃分：

1）主干線(xiàn)路的區(qū)域初始劃分原則

如果主干線(xiàn)路上包含可控DG，以DG接入節(jié)點(diǎn)前的開(kāi)關(guān)為區(qū)域劃分界線(xiàn)，從根節(jié)點(diǎn)到線(xiàn)路末端依次劃分為一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。即劃分后的區(qū)域內(nèi)最多包含一個(gè)DG。如果主干線(xiàn)路上不包含可控DG，則從根節(jié)點(diǎn)到主干線(xiàn)路末端劃為一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。

2）分支線(xiàn)路的區(qū)域初始劃分原則

如果分支線(xiàn)路上包含可控DG，則分支線(xiàn)路的區(qū)域初始劃分原則與主干線(xiàn)路的區(qū)域初始劃分原則一致；如果分支線(xiàn)路上不包含可控DG，則從分支界定開(kāi)關(guān)到支路末端劃分為一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。

基于上述區(qū)域初始劃分原則，可將整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)初始區(qū)域（Initial Region，IR）。

2.2 基于區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分方法尋找DNR可行方案

基于區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分方法獲取DNR可行方案，主要包括以下3個(gè)步驟：

1）區(qū)域電力供需分析

首先，基于區(qū)域初始劃分結(jié)果和源-荷歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（11）、（12）分別計(jì)算各區(qū)域的源-荷不平衡度與DG充裕度，分析當(dāng)前各區(qū)域的電力供需平衡情況。

區(qū)域源-荷不平衡度是指研究區(qū)域內(nèi)總DG與總負(fù)荷之間的差值占總負(fù)荷的比重。各區(qū)域源-荷不平衡度可以表示為

各區(qū)域的DG充裕度可以表示為

2）基于圖論算法的區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分

首先，采用圖論算法中的廣度優(yōu)先遍歷算法[26]，確定各IR的鄰接區(qū)域（Adjacent Region，AR）。然后，根據(jù)區(qū)域電力供需分析結(jié)果，篩選出具有電力互補(bǔ)特性的AR集合。假設(shè)配電網(wǎng)各線(xiàn)路的單位阻抗一致，則線(xiàn)路損耗與線(xiàn)路長(zhǎng)度成正相關(guān)關(guān)系。再次，采用圖論算法中的深度優(yōu)先遍歷算法[27]，從具有電力互補(bǔ)特性的AR集合進(jìn)一步中篩選出符合配電網(wǎng)潮流正向且距離相近的AR集合。最后，通過(guò)開(kāi)關(guān)的優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)若這些AR之間的靈活組合，形成多個(gè)新的區(qū)域，以最小各AR的源-荷不平衡度，即求解以下數(shù)學(xué)模型

式中1表示IR集合中相鄰的A和A合并后的區(qū)域源-荷不平衡度；2表示A、A之間的線(xiàn)路長(zhǎng)度，km。

3）DNR可行方案的檢驗(yàn)與修正

為了保證配電網(wǎng)中不存在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和孤島，首先基于區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分結(jié)果，采用圖論中的深度優(yōu)先遍歷算法對(duì)合并區(qū)域之后的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連通性和輻射性檢驗(yàn)。然后，基于檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行解環(huán)、對(duì)孤島進(jìn)行連接，以滿(mǎn)足配電網(wǎng)拓?fù)浼s束，從而可獲得所有的DNR可行方案。

2.3 確定DNR最優(yōu)方案

1）基于有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型的約束條件確定DNR有效方案

為避免DG接入可能引起電壓越限的問(wèn)題，遍歷所有的可行方案，從中選取滿(mǎn)節(jié)點(diǎn)電壓約束條件的DNR方案。在此基礎(chǔ)上，為了降低開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)其使用壽命以及電壓穩(wěn)定的影響，進(jìn)一步篩選出滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)約束條件的可行方案。

2）基于快速非支配排序策略確定最優(yōu)方案

采用快速非支配排序遺傳算法 2[28]中的快速非支配排序策略，對(duì)DNR有效方案進(jìn)行非劣排序，可獲得非劣排序?qū)蛹?jí)最高的DNR最優(yōu)方案。

根據(jù)上述的農(nóng)村有源配電網(wǎng)區(qū)域初始劃分原則、基于圖論算法的配電網(wǎng)區(qū)域動(dòng)態(tài)劃分方法以及DNR最優(yōu)方案搜索方法求解配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題，可根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)任意時(shí)間段的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。如此反復(fù)循環(huán)，直至獲得整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)的DNR最優(yōu)方案集合。

3 算例分析

3.1 算例1：IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

3.1.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

本文基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)算例[29]，加入了分布式光伏、風(fēng)力發(fā)電和EV充電站，來(lái)模擬源、荷具有時(shí)變特性的農(nóng)村有源配電網(wǎng)，如圖2所示。在節(jié)點(diǎn)6、9、15、22上分別接入了小型風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場(chǎng)、小型光伏電站和光伏電站。各DG的額定容量見(jiàn)表1。在節(jié)點(diǎn)12上接入了EV充電站，額定容量為1MW?；趨^(qū)域初始劃分方法可以將配電網(wǎng)劃分為4個(gè)主干線(xiàn)區(qū)域（A1～A4）和3個(gè)分支線(xiàn)區(qū)域（A5～A7），如圖2所示。

表1 DG配置參數(shù)

假設(shè)在相同的地區(qū)、時(shí)間條件下，相同類(lèi)型的DG出力特性一致，則相同類(lèi)型的DG有功功率輸出值與其額定容量呈正相關(guān)關(guān)系。本文將DG有功功率輸出數(shù)值與DG額定容量的比值，定義為DG出力率。本文通過(guò)DG額定容量乘以DG出力率的變化值來(lái)模擬隨時(shí)間變化的DG出力值，通過(guò)節(jié)點(diǎn)原始負(fù)荷乘以節(jié)點(diǎn)變化率來(lái)模擬隨時(shí)間變化的負(fù)荷值。需要說(shuō)明的是，采用其他方法來(lái)模擬各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷以及DG的出力時(shí)序變化情況，不會(huì)影響使用本文所提方法。重構(gòu)前DG出力率以及負(fù)荷變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可以看出，光伏與風(fēng)力發(fā)電以及EV充電負(fù)荷皆存在很強(qiáng)的波動(dòng)性、間歇性與隨機(jī)性。源-荷側(cè)的不確定性容易導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象以及電壓越限等問(wèn)題，增加了配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行控制的難度。

3.1.2 結(jié)果分析

各時(shí)段重構(gòu)得到的最優(yōu)開(kāi)關(guān)組合見(jiàn)表2，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)用其對(duì)應(yīng)線(xiàn)路兩端的節(jié)點(diǎn)編號(hào)表示。本文設(shè)定研究時(shí)段內(nèi)每個(gè)開(kāi)關(guān)的操作次數(shù)和所有開(kāi)關(guān)的總操作次數(shù)上限分別為3和16次，可保證配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的安全穩(wěn)定性。由表2可知，隨著負(fù)荷需求與DG出力的時(shí)序變化，相應(yīng)時(shí)段的配電網(wǎng)重構(gòu)最優(yōu)開(kāi)關(guān)組合也在不斷調(diào)整。

表2 不同時(shí)段最優(yōu)開(kāi)關(guān)組合

本文對(duì)24 h內(nèi)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)前后的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其中，線(xiàn)路損耗如圖4所示；配電網(wǎng)總DG平均消納利用情況，如圖5所示。

由圖4可以看出，配電網(wǎng)線(xiàn)損在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后有一定程度降低，在11:00至17:00時(shí)間段內(nèi)降損效果明顯，尤其是在14:00線(xiàn)路損耗降低了71.41%，降損效果尤為顯著，說(shuō)明該方法能有效提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

由圖5所知，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化之后總DG的平均消納率得到了較大幅度的提升，說(shuō)明該方法能有效提高配電網(wǎng)的電力供需平衡能力和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

為了深入分析本文所提網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法對(duì)各DG消納利用的影響，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化前后各DG的日平均消納利用率進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示。

表3 配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)前后各DG日平均消納利用對(duì)比分析

由表3可知，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后每個(gè)DG的日內(nèi)平均消納率均有一定程度的提升，其中，DG4實(shí)現(xiàn)了完全消納。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各DG消納利用水平的上升，意味著該方法能降低棄風(fēng)棄光現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，因此該方法能有效提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性。

上述是針對(duì)24 h時(shí)間段內(nèi)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后仿真結(jié)果進(jìn)行的分析，為了進(jìn)一步分析本文所提方法在時(shí)間斷面上對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化效果，基于圖3顯示的DG總發(fā)電在上午11:00左右達(dá)到頂峰，本文選取11:00時(shí)刻重構(gòu)前后的配電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行細(xì)致分析。其中，各DG消納利用的變化情況見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)潮流計(jì)算進(jìn)行電壓校驗(yàn)，配電網(wǎng)重構(gòu)前后33個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓分布，如圖6所示。

表4 11:00 DNR前后各DG消納利用情況

由表4可知，在11:00根據(jù)區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分方法得到的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部分DG的消納利用率升高了。其中，DG1和DG2的消納利用率在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后均達(dá)到了完全消納，DG1和DG2在初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了完全消納，這與DG1和DG2的接入容量以及研究時(shí)間段內(nèi)DG有功出力以及負(fù)荷大小相關(guān)；連接在22節(jié)點(diǎn)的DG4消納利用率提升最顯著，上升了31.30個(gè)百分點(diǎn)；DG3消納利用率的提升效果也很明顯，上升了18.97個(gè)百分點(diǎn)。

假設(shè)配電網(wǎng)線(xiàn)電壓的基準(zhǔn)值以根節(jié)點(diǎn)為準(zhǔn)，則根節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值為1.0。由圖6可知，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)電壓的標(biāo)幺值都在0.95到1.05之間，符合節(jié)點(diǎn)電壓上下限的要求。此外，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)電壓有了一定的提升，尤其是DG接入點(diǎn)附近的電壓提升最為顯著。

結(jié)合表4與圖6可知，雖然DG1和DG2的消納利用率在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后均達(dá)到了完全消納，但是初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的節(jié)點(diǎn)電壓存在越限問(wèn)題，經(jīng)過(guò)區(qū)域優(yōu)化劃分方法得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下各節(jié)點(diǎn)電壓均符合電壓質(zhì)量要求。

3.2 算例2：PG&E 69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

3.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的有效性，本節(jié)采用復(fù)雜的PG&E 69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)[30]進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文分別在節(jié)點(diǎn)23、38上接入了額定容量分別為0.8、1MW的光伏電站，在節(jié)點(diǎn)53、59上分別接入了額定容量均為0.8MW的風(fēng)電場(chǎng)。基于區(qū)域初始劃分方法可以將配電網(wǎng)絡(luò)劃分為2個(gè)主干線(xiàn)區(qū)域（A1、A2）以及6個(gè)分支線(xiàn)區(qū)域（A3～A8），如圖7所示。

為保證配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的安全穩(wěn)定性，設(shè)定每個(gè)開(kāi)關(guān)的操作次數(shù)和所有開(kāi)關(guān)的操作次數(shù)上限分別為3次和20次。計(jì)算所采用的DG出力率的變化情況與圖3中的DG變化曲線(xiàn)一致，負(fù)荷率變化曲線(xiàn)如圖8所示。

3.2.2 結(jié)果分析

69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

由表5可知，與未重構(gòu)相比，動(dòng)態(tài)重構(gòu)后的配電網(wǎng)對(duì)DG的消納利用率整體上升了16.09個(gè)百分點(diǎn)，線(xiàn)損降低了55.32%。

可以看出，該結(jié)果與采用IEEE 33節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)所得結(jié)論一致，同樣表明了所提方法能夠促進(jìn)DG消納、提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行能力。

表5 69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)前后結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

在大規(guī)模DG和EV接入農(nóng)村配電網(wǎng)的新形式下，本文圍繞農(nóng)村有源配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題，提出了一種新的基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法。主要研究工作及結(jié)論如下：

1）計(jì)及DG與負(fù)荷的雙重時(shí)變特性，提出了一種農(nóng)村有源配電網(wǎng)區(qū)域初始劃分原則。根據(jù)區(qū)域初始劃分原則，可以對(duì)主干線(xiàn)路和分支線(xiàn)路進(jìn)行區(qū)域初始劃分，形成初始配電網(wǎng)絡(luò)劃分圖，為快速求解動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

2）提出了一種基于圖論算法的區(qū)域動(dòng)態(tài)優(yōu)化劃分方法，可根據(jù)農(nóng)村有源配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)區(qū)域初始劃分結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而獲得區(qū)域間開(kāi)關(guān)控制方案，有助于提高動(dòng)態(tài)重構(gòu)問(wèn)題的求解效率。

3）基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)和PG&E 69節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：所提方法在33節(jié)點(diǎn)算例中損耗降低效果很好，尤其是14:00時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗顯著降低了71.41%，此時(shí)提高DG消耗的效果也是最明顯的；在69節(jié)點(diǎn)算例中提升了系統(tǒng)日DG平均消納率16.09個(gè)百分點(diǎn)，日線(xiàn)損降低了55.32%。這說(shuō)明本文所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)村有源配電網(wǎng)提升DG消納、降低線(xiàn)損以及改善電壓質(zhì)量等技術(shù)要求。

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Dynamic reconfiguration method of rural active distribution network based on regional division

Liu Zhihong, Sheng Wanxing, Du Songhuai, Su Juan※, Xia Yue

(,,100083,)

In recent years, under the guidance of China's green energy development strategy, a large number of photovoltaic, wind power and other DGs have been connected to the rural distribution network. The current rural distribution network structure, DG grid-connected location and capacity, line transmission capacity and other system conditions are in conflict with the ever-increasing rural power demand. DG output and load demand are continuously changing with time. The large-scale access of DGs and EVs has made the “source-load” side of the rural distribution network present significant uncertainty. The traditional topology of rural distribution network cannot cope with the impact of this “source-load” double uncertainty. Therefore, it is urgent to study a new method of dynamic reconfiguration for rural active distribution network. This paper establishes a dynamic reconfiguration model of active distribution network with DG consumption and line loss as objective functions. Taking into account the time-varying characteristics of “source-load”, this paper proposes a new method of dynamic reconfiguration of rural active distribution network based on regional division, and designs the process of this dynamic reconfiguration method. In order to improve the efficiency of solving the problem of dynamic reconfiguration of active distribution network, a regional division method is proposed for the first time. The regional division method includes two parts: The initial division of regions and the optimized division of regions. The dynamic reconfiguration method of active distribution network based on area division mainly includes the following four steps. Firstly, the distribution network structure is divided into several initial regions which include main line regions and branch line regions based on the regional initial division method. Secondly, with the goal of promoting the flexible and efficient combined application of DGs between regions, the result of regional initial division is optimized dynamically based on the breadth-first traversal algorithm in the graph theory algorithm. Thirdly, based on the obtained results of dynamic regional optimization, the depth-first traversal algorithm is used to test and modify the DNR scheme to meet the topology constraints of the distribution network. At this time, all feasible DNR schemes can be obtained. Finally, the fast non-dominated sorting strategy is adopted to select the best network reconfiguration scheme that meets the constraints such as node voltage. To validate the performance of the proposed method, it is tested on the well-known IEEE 33-node and PG&E 69-node distribution system. The simulation result of 33-node distribution system shows that the loss reduction effect of the proposed method is very good. Especially at 14:00, the loss reduction effect of the distribution network was the most obvious, which was reduced by 71.41%. At this time, the effect of increasing the utilization rate of DG consumption is also obvious. On this basis, the proposed method on the consumption of each DG was deeply analyzed in this article. Result shows that the proposed method can achieve complete consumption of DG. The voltage of each node under the network structure obtained by the regional optimization division method meets the voltage quality requirements. In addition, the average daily DG consumption rate of the PG&E 69-node distribution system was increased by 16.09 percent point, and the daily line loss was reduced by 55.32%. The effectiveness of the proposed method is verified by the simulation of these two case studies. The simulation results show that the proposed method can fully switch and adjust the ability to improve the absorption capacity of the distributed power, reduce the line loss, suppress the fluctuation of the distributed power, and keep the node voltage smooth.

energy; algorithm; rural active distribution network; regional division; network dynamic reconfiguration

劉志虹，盛萬(wàn)興，杜松懷，等. 基于區(qū)域劃分的農(nóng)村有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(20)：248-255.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.028 http://www.tcsae.org

Liu Zhihong, Sheng Wanxing, Du Songhuai, et al. Dynamic reconfiguration method of rural active distribution network based on regional division[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 248-255. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.028 http://www.tcsae.org

2021-07-15

2021-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52007194）；國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目（SGXJWL00YJJS1801742）；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才工程資助

劉志虹，博士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行與控制。Email：zhihongliu@cau.edu.cn

蘇娟，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化、電力市場(chǎng)等。Email：sujuan@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.028

TM761

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